(57)【要約】【課題】  多画素及び小型化に適し、色むらの発生を防止することができ、また、暗電流の増加も防止できる固体撮像素子の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明にかかる固体撮像素子の製造方法は、基板上に熱硬化性のカラーフィルタ材を塗布して熱硬化した後、レジストパターンを形成し、エッチングによってカラーフィルタ層を形成し、フィルタ側構造体を形成する工程と、半導体基板上に、光電変換部と、光電変換部で生じる電荷を転送する電荷転送電極とを形成してデバイス側構造体を形成する工程と、フィルタ側構造体をデバイス側構造体に貼り合せる工程とを有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に熱硬化性のカラーフィルタ材を塗布して熱硬化した後、レジストパターンを形成し、エッチングによってカラーフィルタ層を形成し、フィルタ側構造体を形成する工程と、
半導体基板上に、光電変換部と、前記光電変換部で生じる電荷を転送する電荷転送電極とを形成してデバイス側構造体を形成する工程と、
前記フィルタ側構造体を前記デバイス側構造体に貼り合せる工程とを有する固体撮像素子の製造方法。
【請求項２】
前記フィルタ側構造体を形成する工程が、前記基板に透明膜を形成し、前記透明膜上に第１のカラーフィルタ材を塗布し、前記第１のカラーフィルタ材上にレジストパターンを設けてエッチングすることによって第１のカラーフィルタ層を形成する工程と、
前記第１のカラーフィルタ層を覆うように熱硬化性の第２のカラーフィルタ材を塗布し、熱硬化させた後、有機反射防止膜を塗布し、前記有機反射防止膜上にレジストパターンによって第２のカラーフィルタ層を形成する工程とを有する請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１のカラーフィルタ層と前記第２のカラーフィルタ層とともに、前記基板上において格子縞となるように、第３のカラーフィルタ層がエッチングにより形成される工程を有する請求項２に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１のカラーフィルタ層と前記第２のカラーフィルタ層と前記第３のカラーフィルタ層との各表面をＣＭＰ処理により平坦化する工程を有する請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
前記デバイス側構造体を形成する工程が、入射した光を閉じ込め伝搬させて前記光電変換部に導く光導波路を形成する工程を含む請求項１から４に記載の固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子（ＣＣＤ）、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤ−ＣＭＯＳ等のイメージセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体撮像素子、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤ−ＣＭＯＳ等のイメージセンサ等に用いられているカラーフィルタ材は、主に、フォトリソグラフィにおける露光及び現像プロセスによって、基板上にパターン形成されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２７３６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、近年、固体撮像素子において多画素数及び小型化が図られて微細化が進められるともに、カラーフィルタ材に対しても、薄膜でありながら厚膜と同程度の分光特性を有するといった要求がある。そして、従来のフォトリソグラフィによるカラーフィルタ材のパターン形成が難しくなっている。
例えば、フォトリソグラフィで微細なパターン形成を行う場合には、色の異なる、隣り合ったカラーフィルタ材料同士が重なることで、いわゆる色のかぶりが生じて色むらとなることが懸念されている。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、多画素及び小型化に適し、色むらの発生を防止することができ、また、暗電流の増加も防止できる固体撮像素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の上記目的は、基板上に熱硬化性のカラーフィルタ材を塗布して熱硬化した後、レジストパターンを形成し、エッチングによってカラーフィルタ層を形成し、フィルタ側構造体を形成する工程と、半導体基板上に、光電変換部と、前記光電変換部で生じる電荷を転送する電荷転送電極とを形成してデバイス側構造体を形成する工程と、前記フィルタ側構造体を前記デバイス側構造体に貼り合せる工程とを有する固体撮像素子の製造方法によって達成される。
【０００７】
本発明にかかる固体撮像素子の製造方法によれば、カラーフィルタ材にレジストパターンをマスクとして適用したうえでエッチングすることでフィルタ側構造体を形成することができる。そして、固体撮像素子における光電変換部や電荷転送電極が形成されたデバイス側構造体の構成に応じて、所望のパターンでカラーフィルタ層を形成することができ、フィルタ側構造体と、デバイス側構造体とを貼り合せることで固体撮像素子を製造することができる。こうすれば、固体撮像素子の多画素化や小型化にともなって、形成すべきカラーフィルタのパターンが微細化しても、カラーフィルタ同士が重なりあうことを防止でき、色むらが生じることを防止することができる。
また、ドライエッチングのプラズマダメージに起因して暗電流が増加することを抑制することができる。
【０００８】
上記固体撮像素子の製造方法は、フィルタ層を形成する工程が、基板に透明膜を形成し、透明膜上に第１のカラーフィルタ材を塗布し、第１のカラーフィルタ材上にレジストパターンを設けてエッチングすることによって第１のカラーフィルタ層を形成する工程と、第１のカラーフィルタ層を覆うように熱硬化性の第２のカラーフィルタ材を塗布し、熱硬化させた後、有機反射防止膜を塗布し、有機反射防止膜上にレジストパターンによって第２のカラーフィルタ層を形成する工程とを有する。こうすれば、複数のカラーフィルタ層を形成することができる。
【０００９】
上記固体撮像素子の製造方法は、第１のカラーフィルタ層と第２のカラーフィルタ層とともに、基板上において格子縞となるように、第３のカラーフィルタ層がエッチングにより形成される工程を有する。格子縞としては、例えば、ＲＧＢ３色が一定のパターンで配列されたベイヤー配列である。
【００１０】
上記固体撮像素子の製造方法は、第１のカラーフィルタ層と第２のカラーフィルタ層と第３のカラーフィルタ層との各表面をＣＭＰ研磨により平坦化する工程を有する。こうすれば、カラーフィルタ層表面を平坦化することができる。このとき、各カラーフィルタ層の表面には、予めエッチングストッパ膜としてＳｉＯＮ膜等が形成されていてもよい。
【００１１】
上記固体撮像素子の製造方法は、デバイスを形成する工程が、入射した光を閉じ込め伝搬させて前記光電変換部に導く光導波路を形成する工程を含む。こうすれば、光導波路によって光電変換部に効率良く光を導くことができるようになり、入射光の利用効率が向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、多画素及び小型化に適し、色むらの発生を防止することができ、また、暗電流の増加も防止できる固体撮像素子の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明にかかる固体撮像素子の製造プロセスにおいて透明膜を形成する工程を模式的に示す断面図である。
シリコン基板１１上に無機材料からなる透明膜１２を形成する。本実施形態において透明膜１２の屈折率が１．９以上である。透明膜１２は、例えば、プラズマＣＶＤ法で形成された窒化シリコン膜を用いることで高屈折率を有する膜とすることができ、こうすることで集光率を向上させることができる。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、透明膜１２の表面に熱硬化性を有するカラーフィルタ材料（本実施形態では緑色）を塗布した後、乾燥させてカラーフィルタ材料を硬化させる。そして、熱硬化したカラーフィルタ層Ｇ１の上面に、ＳｉＯＮ膜１３を形成する。ＳｉＯＮ膜１３は、後述するＣＭＰ工程において研磨の停止位置の目安とするためのエッチングストッパ膜として機能する。
【００１５】
図２（ａ）から（ｃ）は、固体撮像素子の製造プロセスにおいて、レジスト工程を示す図である。
先ず、図２（ａ）に示すように、ＳｉＯＮ膜１３の表面に、フォトリソグラフィによって所望のレジストパターン１４を形成する。そして、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＯＮ膜１３を異方性にドライエッチングし、ＳｉＯＮ膜１３における、レジストパターンから露呈した不要な部位を除去する。
【００１６】
次に、ガスを酸素主体（CF4，Ar，O2でも可。以下同じ。）とする条件に変更して、カラーフィルタ材料Ｇ１とレジストパターン１４とを異方性エッチングする。こうすることで、図２（ｃ）に示すように、透明膜１２上からレジストパターン１４及び不要なカラーフィルタ材料Ｇ１を除去し、所定のパターンの第１のカラーフィルタ層Ｇ１１を形成することができる。この状態において、第１のカラーフィルタ層Ｇ１１の表面にはＳｉＯＮ膜１３ａが設けられている。ＳｉＯＮ膜１３ａは、上記と同様に酸素主体の条件でエッチングと同時に加工してもよい。
【００１７】
図３は、本実施形態の固体撮像素子の製造プロセスにおいて、第２のカラーフィルタ層の形成手法を説明する模式的な断面図である。
透明膜１２上に、第１のカラーフィルタ層Ｇ１１を覆うように、熱硬化性を有するカラーフィルタ材料（本実施形態では青色）を塗布した後、熱硬化さえることでカラーフィルタ層Ｂ１を形成する。熱硬化後、カラーフィルタ層Ｂ１の上面に上記と同様のＳｉＯＮ膜１５を塗布する。
【００１８】
更に、ＳｉＯＮ膜１５上には、有機材料の反射防止膜１６が形成されている。反射防止膜１６は、基板からの反射の影響を低減する機能を有し、その有機材料として、例えば、露光波長に対する十分な吸収係数を持つ染料を含有した有機樹脂を用いることができる。
【００１９】
有機反射防止膜１６上には、フォトリソグラフィによって所望のレジストパターン１７が形成される。そして、酸素主体のガスで異方性エッチングをすることで有機反射防止膜１６及びレジストパターン１７を除去し、図４に示すように、所定のパターンで第２のカラーフィルタ層Ｂ１１が形成される。この状態において、第２のカラーフィルタ層Ｂ１１上にはＳｉＯＮ膜１５ａがそれぞれ設けられている。
【００２０】
図５は、本発明にかかる固体撮像素子の製造方法によって得られるカラーフィルタの配置の一例を説明する平面図である。
上述のように、第１のカラーフィルタ層Ｇ１１と第２のカラーフィルタ層Ｂ１１とを格子縞状に形成し、さらに、赤色のカラーフィルタ材料によって第３のカラーフィルタ層を形成することで、ＲＧＢの３色からなるベイヤー配列とすることができる。ベイヤー配列とは、例えばＢとＧを交互に直線上に並べた列と、ＧとＲを交互に直線上に並べ列とを、２次元平面のｘ軸及びｙ軸のそれぞれの方向において平行に且つ交互に配列したものである。なお、カラーフィルタの配列は図５に示すものに限定されず、２色以下又は４色以上としてもよく、カラーフィルタを一列おきにカラーフィルタ配置のピッチを半ピッチづつずらして配列することで、ハニカム状に配列してもよい。
【００２１】
本実施形態においては、図５のような所望のパターンに基づいて、各カラーフィルタ層Ｇ１１、Ｂ１１のレジストパターン１４、１７を各カラーフィルタ層ごとに形成するものである。
【００２２】
図６は、図５のカラーフィルタ層の配列に従って、第３のカラーフィルタ層を形成する手順において、図５のＱ−Ｑ線を矢印方向にみた状態を模式的に示す断面図である。図７（ａ）から（ｃ）は、カラーフィルタ層上にガラス基板を形成する工程を示す図である。
【００２３】
透明膜１２の上面に、カラーフィルタ層Ｇ１１を覆うようにカラーフィルタ材料（本実施形態では、赤色）Ｒ１を全面に塗布した後、熱硬化させる。熱硬化したカラーフィルタ材料Ｒ１の上面における、第１のカラーフィルタ層Ｇ１１と第２のカラーフィルタ層Ｂ１１とを除く部位に、フォトリソグラフィによってレジストパターンを形成する。上述した第１のカラーフィルタ層Ｇ１１及び第２のカラーフィルタ層Ｂ１１と同様に、異方性エッチングによって不要なＳｉＯＮ膜を除去し、更に酸素主体のガスによって異方性エッチングすることで第３のカラーフィルタ層を形成する。
【００２４】
図４から図６に示すように、各カラーフィルタ層がエッチングによって順に形成されることから、カラーフィルタ同士の境界部に段差が生じ、この結果、各カラーフィルタ層によって形成される表面全体が凹凸した状態となる。そこで、本実施形態では、カラーフィルタ層の全面にＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）処理を施し、表面の平坦に加工する。
【００２５】
ＣＭＰ処理時には、カラーフィルタ材料Ｒ１の上面に研磨ヘッドを押し当てて研磨を行い、ＳｉＯＮ膜１３ａ，１５ａにおいて研磨の停止位置の目安とする。
なお、カラーフィルタ層の平坦化は、上記のＣＭＰ処理に限らず、例えば、エッチバックを施してもよい。こうして、図７（ａ）に示すように、シリコン基板１１の透明膜１２上に、カラーフィルタ層Ｇ１１、Ｒ１１、及びＢ１１（図４及び５参照）が形成される。
【００２６】
図７（ｂ）に示すように、カラーフィルタ層上に透明平坦化膜１８を形成し、その後、上方に突出する凸面を有するマイクロレンズ１８ａを形成する。その後、図７（ｃ）に示すようにマイクロレンズ１８ａ上面に、透明平坦化膜１９を形成し、該透明平坦化膜１９上にガラス基板２１を貼り付ける。本実施形態においてマイクロレンズ１８ａ上面側の透明平坦化膜１９の屈折率は１．６前後とする。
【００２７】
透明平坦化膜１９に貼り付けられたガラス基板２１の表面には、該ガラス基板２１の表面に外部からの負荷によってキズ等がつくことを防止するように保護する保護膜２２を貼り付ける。
【００２８】
図８は、シリコン基板を除去した状態を模式的に示す断面図である。保護膜２２を貼り合せた後、最下面に位置するシリコン基板１２における、センサーチップ領域を除く部分をカラーフィルタ側から除去する。こうして、カラーフィルタ層を有するフィルタ構造体２０を得ることができる。
【００２９】
図９は、本実施形態の固体撮像素子の製造方法によって得られる固体撮像素子を模式的に示す断面図である。
図９に示すように、固体撮像素子１００は、フィルタ側構造体２０をデバイス側構造体３０の上面に所定の位置に貼り合わせることで構成される。本実施形態の固体撮像素子１００では、カラーフィルタＧ１１，Ｒ１１の垂直方向下方に、後述する光導波路を介して光電変換部３２が位置するようにフィルタ側構造体２０とデバイス側構造体３０とが貼り合わされる。
【００３０】
図１０は、本実施形態の固体撮像素子のデバイス側構造体の一例を模式的に示す断面図である。
デバイス側構造体３０において、ｐウェル層（図示せず）及びｎ型半導体（図示せず）が形成されたシリコン基板３１の表面に、ゲート酸化膜３３を介して複数の電荷転送電極３５ａ，３５ｂと、フォトダイオード等の光電変換部３２とが形成されている。電荷転送電極３５ａ，３５ｂは、絶縁膜３７を介して電気的に絶縁状態で分離されている。
【００３１】
また、電荷転送電極３５ａ，３５ｂは遮光膜３６で被覆されている。遮光膜３６における、光電変換部３２の上方に位置する領域には、入射光を導くため開口部が形成されている。開口部には、窒化シリコンとこの上層に形成されたＢＰＳＧ膜からなる柱状構造を有し、且つ、高屈折率の透光性部材３４が充填されている。さらに、開口部の上方部には透光性部材３４を囲うように、該透光性部材３４に比べて低屈折率の反射部材３８が設けられている。本実施形態では、透光性部材３４及び反射部材３８が、入射した光を閉じ込め伝搬させて光電変換部３２に導く光導波路として機能する。
【００３２】
透光性部材３４の上層には、上方に凸面を有する凸形状のレンズ３９が設けられている。レンズ３９は、フィルタ側構造体２０の各カラーフィルタＧ１１，Ｒ１１，Ｂ１１の下方に配置されている。なお、レンズ３９は、例えば、プラズマＣＶＤ法によって形成された窒化シリコンからなる部材である。
【００３３】
図９及び図１０に示すように、本実施形態の固体撮像素子に入射した光は、カラーフィルタを透過し、レンズ３９で集光された後、透光性部材３４に入り、反射部材３８によって外部への散乱を防止されつつ透光性部材３４内を導かれ、光電変換部に照射される。このような構成によれば、入射光の集光効率を向上させることができる。
【００３４】
図１から図９で示すように、本発明にかかる固体撮像素子の製造方法によれば、カラーフィルタ材にレジストパターン１４，１７をマスクとして適用してエッチングすることで、カラーフィルタ層Ｇ１１，Ｂ１１，Ｒ１１を形成することができる。そして、固体撮像素子１００における光電変換部３２や電荷転送電極３５ａ，３５ｂが形成されたデバイス側構造体３０の構成に応じて、所望のパターンでカラーフィルタ層Ｇ１１，Ｂ１１，Ｒ１１を形成することができる。こうすれば、固体撮像素子１００の多画素化や小型化にともなって、形成すべきカラーフィルタ層Ｇ１１，Ｂ１１，Ｒ１１のパターンが微細化しても、カラーフィルタ層同士が重なりあうことを防止でき、色むらが生じることを防止することができる。
【００３５】
また、本発明にかかる固体撮像素子の製造方法によれば、ドライエッチングのプラズマダメージに起因して暗電流が増加することを抑制することができる。
【００３６】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、固体撮像素子のデバイス側構造体の構成は、上記の実施形態の説明に限定されない。例えば、光導波路を有する構造に限らず、フィルタ側構造体と貼り合せ可能な範囲で、変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明にかかる固体撮像素子の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図２】本発明にかかる固体撮像素子の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図３】本発明にかかる固体撮像素子の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図４】本発明にかかる固体撮像素子の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図５】カラーフィルタの配置の一例を説明する平面図である。
【図６】本発明にかかる固体撮像素子の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図７】本発明にかかる固体撮像素子の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図８】本発明にかかる固体撮像素子の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図９】本発明にかかる固体撮像素子の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明にかかる固体撮像素子を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１    シリコン基板
１２    透明膜
１３，１５    ＳｉＯＮ膜
１４，１７    レジストパターン
２０    フィルタ側構造体
２１    ガラス基板
３０    デバイス側構造体
３２    光電変換部
１００    固体撮像素子
Ｇ１１，Ｒ１１，Ｂ１１    カラーフィルタ層
【図１】
2006237362.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006237362.tif 000008
【図７】
2006237362.tif 000009
【図８】
2006237362.tif 000010
【図９】
2006237362.tif 000011
【図１０】
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